石化企業(yè)地下管道綜合檢測與安全評估

楊 靜，李 明，王曉司，董經(jīng)發(fā)

（1.中國石油化工股份有限公司大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045；2. 大連福瑞普科技有限公司，遼寧 大連 116045）

地下管道作為重要基礎(chǔ)設(shè)施，是石化企業(yè)的生產(chǎn)動脈，其安全可靠運行直接關(guān)系企業(yè)綜合效益。由于所處周圍環(huán)境條件復(fù)雜，石化地下管道管壁腐蝕減薄極為普遍，泄漏現(xiàn)象時有發(fā)生，安全隱患較大。很多老企業(yè)地下管道甚至存在超負(fù)荷、超年限使用情況，由于超壓、腐蝕等造成爆管、泄漏等事故，嚴(yán)重影響企業(yè)正常生產(chǎn)[1-4]。實施有效檢測與評估，是掌握地下管道完整性狀態(tài)、實現(xiàn)管道預(yù)知性維修與防護的重要手段。石化企業(yè)地下管道通常不具備內(nèi)檢測能力，只能通過外部檢測方式查找缺陷。傳統(tǒng)外部檢測方式需要對管道進行開挖，存在檢測成本高、效率低等問題，且存在漏檢風(fēng)險[5-6]。近年非開挖檢測技術(shù)逐步興起，可在無需開挖或僅需少量開挖條件下采集必要數(shù)據(jù)，為管道安全狀態(tài)評估提供參考依據(jù)，受到油氣管道領(lǐng)域廣泛關(guān)注。但目前研究主要側(cè)重于對單項檢測技術(shù)的實施與驗證，現(xiàn)場檢測一般針對防腐系統(tǒng)或管體缺陷單方面，安全評估與維修決策也多針對單點缺陷[7-16]，如何將多源檢測數(shù)據(jù)用于管道綜合管理決策方面的文獻較少。

筆者擬基于現(xiàn)有管道無損檢測技術(shù)，建立石化企業(yè)地下管道非開挖檢測與開挖驗證相結(jié)合的綜合檢測評價技術(shù)方案，提出基于模糊數(shù)學(xué)的管道安全綜合評估方法，利用多源檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)管道安全狀態(tài)評估分級和管理優(yōu)先級排序，為石化地下管道安全管理與決策提供重要手段和依據(jù)。

1 石化企業(yè)地下管道綜合檢測

針對當(dāng)前石化企業(yè)地下管道實際走向、埋深信息不全、地下條件復(fù)雜等特點，考慮管道管理經(jīng)濟性和安全性，利用非開挖檢測技術(shù)，建立石化企業(yè)地下管道綜合檢測評價技術(shù)方案，以全面獲取管道防腐系統(tǒng)及管體完整性狀態(tài)信息。綜合檢測方案如圖1所示。

圖1 石化地下管道綜合檢測方案

利用非開挖無損檢測技術(shù)，如多頻管中電流法（PCM）、標(biāo)準(zhǔn)管/地電位檢測法（P/S）、密間隔電位測試法（CIPS）、Pearson檢測法（PS）、直流電壓梯度測試法（DCVG）、磁應(yīng)力檢測法（MTM）等，對石化企業(yè)地下管道進行地面檢測，包括管道路由探測、陰極保護系統(tǒng)狀態(tài)檢測、防腐層狀態(tài)及破損點檢測、管體缺陷檢測等，獲取管道完整性狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù)。幾種典型非開挖檢測技術(shù)特點及局限性[17-19]如表1所示。

表1 非開挖檢測技術(shù)特點及局限性

結(jié)合非開挖檢測結(jié)果，分析篩選可能存在嚴(yán)重?fù)p傷或缺陷的位置點作為開挖驗證點。開挖后剝除防腐層，利用目視檢查、超聲檢測、激光掃描等無損檢測技術(shù)對開挖點進行缺陷精準(zhǔn)測量，獲取缺陷類型、尺寸及位置信息。不同類型缺陷對應(yīng)的開挖驗證方法及要求[20]見表2。

表2 開挖驗證方法及要求

根據(jù)開挖點直接檢測數(shù)據(jù)判定缺陷可接受性，如可通過腐蝕缺陷剩余壁厚與剩余強度、凹陷最大變形量與應(yīng)變量、是否存在應(yīng)力集中等確定缺陷是否需要維修。

進一步根據(jù)開挖驗證結(jié)果分析非開挖檢測結(jié)果可靠性，必要時對非開挖檢測數(shù)據(jù)進行修正，同時確定是否需要增加開挖驗證點。

將管道綜合檢測獲取的多源檢測數(shù)據(jù)，作為管道安全狀態(tài)評估的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，結(jié)合管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、運行維護數(shù)據(jù)等，開展管道安全評估與管理決策。

2 基于模糊數(shù)學(xué)的管道安全評估

如何將檢測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為能夠輔助管理決策的有效信息，往往是企業(yè)關(guān)注的重點。地下管道安全狀態(tài)受多方面因素影響，除檢測數(shù)據(jù)外，還應(yīng)結(jié)合設(shè)計建造、運行維護、周邊環(huán)境等多方面因素，而這些因素通常涵蓋一些難以量化的定性指標(biāo)，需要綜合專家經(jīng)驗進行評估。模糊綜合評價法利用模糊數(shù)學(xué)中的模糊變換原理，能夠較好地處理定性指標(biāo)，實現(xiàn)定性與定量方法的結(jié)合。根據(jù)模糊綜合評價法基本思想和步驟，建立基于模糊數(shù)學(xué)的石化企業(yè)地下管道安全評估流程，如圖2所示。

圖2 石化地下管道安全評估流程

首先結(jié)合多源檢測數(shù)據(jù)、管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，建立石化企業(yè)地下管道安全狀態(tài)綜合評估指標(biāo)集，如管道服役時間、單位管長缺陷數(shù)量、最嚴(yán)重缺陷情況、防腐層完好情況、陰極保護系統(tǒng)狀態(tài)、運行壓力、運行溫度、輸送介質(zhì)腐蝕性等。并通過專家評估法或其他有效方法建立評價因素集對應(yīng)的模糊權(quán)向量W＝（w1，w2，……，wn）。

建立管道安全狀態(tài)評估等級論域V，V＝｛v1，v2，……，vt｝，vi（i＝1～t）表示第i級評語，t為劃分的管道安全狀態(tài)等級數(shù)。評價等級分得越細(xì)，評價結(jié)果越準(zhǔn)確，但等級太多會使調(diào)查對象無法入手，結(jié)果不一定理想。本文將管道安全狀態(tài)分為5個等級，即t＝5，V＝{好，較好，一般，較差，差}。

按照管徑、壁厚、檢測區(qū)間等將管道劃分為若干個評估區(qū)段，按評價區(qū)段搜集整理相關(guān)數(shù)據(jù)，并針對每一個評價指標(biāo)進行量化。定性指標(biāo)屬于模糊因素，無法直接量化；而定量指標(biāo)由于其量綱、意義、表現(xiàn)形式以及對總體評價目標(biāo)的作用趨向各不相同，不具有可比性。因此，以隸屬度函數(shù)作為橋梁，確定各個指標(biāo)因素對等級模糊子集的隸屬度，即可獲得模糊關(guān)系評判矩陣，形式如下所示：

式中，rij代表評價因素ui對vj等級模糊子集的隸屬度。

對于定性指標(biāo)，隸屬度通過專家系統(tǒng)綜合評價得到。具體方法是根據(jù)專家組對各指標(biāo)的評價結(jié)果，統(tǒng)計并計算各指標(biāo)隸屬于各評價等級的權(quán)重，即得到各指標(biāo)的隸屬度向量，構(gòu)成多因素綜合評判的模糊關(guān)系矩陣。對于定量指標(biāo)，考慮指標(biāo)屬性，針對不同評價等級建立隸屬函數(shù)，根據(jù)隸屬函數(shù)求得指標(biāo)對于各評價等級的隸屬度。

綜合評價結(jié)果C為向量形式。

根據(jù)綜合評價結(jié)果C確定管道安全狀態(tài)等級，如采用最大隸屬度原則確定管道安全狀態(tài)等級時，若cr＝maxci（i＝1～5），則對應(yīng)管道安全等級為r級。也可采用加權(quán)平均求隸屬等級的方法確定安全狀態(tài)等級。根據(jù)管段安全狀態(tài)等級進行管段優(yōu)先級排序，從而為管道維修維護與運行管理提供決策依據(jù)。

3 應(yīng)用實例

針對某石化企業(yè)5段工藝管道埋地段，以管線探測、防腐層檢測與管體缺陷查找為主要目的，開展管道綜合檢測，評估管道安全狀態(tài)。管道關(guān)鍵信息見表3。

表3 檢測管道基本信息

1）管道綜合檢測

根據(jù)企業(yè)提供的管線基礎(chǔ)資料，結(jié)合現(xiàn)場踏勘調(diào)查了解管道敷設(shè)環(huán)境，利用RD400 PCM檢測儀探明管線位置及走向，分析判斷管道外防腐層整體質(zhì)量狀況，結(jié)合CIPS測試管地電位判斷陰極保護系統(tǒng)狀況。針對外防腐層質(zhì)量檢測存在異常及陰極保護系統(tǒng)效果檢測發(fā)現(xiàn)問題的管段，結(jié)合使用RD400 PCM和地下管道防腐層檢漏儀確定管道外防腐層破損點位置及破損狀況。選取檢測問題較大的部分管段采用金屬磁記憶檢測儀進行管體缺陷檢測，根據(jù)檢測信號進行管體異常評估與分級。綜合防腐層狀況及管體異常情況，每段管道選取1～2個點進行開挖，采用低頻導(dǎo)波和超聲波檢測等技術(shù)進行驗證檢測。管道防腐層狀況及管體缺陷探測結(jié)果、開挖驗證情況見表4。

表4 管道檢測與驗證結(jié)果

2）安全綜合評估

確定管道安全狀態(tài)模糊評估因素集，包括服役時間、運行壓力/設(shè)計壓力、輸送介質(zhì)腐蝕性、防腐層整體狀況、防腐層破損點情況、管體異常點情況、最嚴(yán)重缺陷狀況、運行溫度、土壤腐蝕性等9個指標(biāo)。

將管道安全狀態(tài)分為5個等級，即V＝{好，較好，一般，較差，差}，并將對應(yīng)分值設(shè)置為{10，7，4，1，0}。經(jīng)過專家評估，確定上述評估因素集對應(yīng)的模糊權(quán)向量為W＝{0.1，0.12，0.12，0.1，0.1，0.1，0.12，0.1，0.14}，并獲取對應(yīng)的模糊關(guān)系矩陣R。通過模糊綜合計算，得到5段管道對應(yīng)的綜合評估結(jié)果分別為：

采用加權(quán)平均法確定管道安全狀態(tài)模糊數(shù)，5段管道分別為6.237，4.918，4.493，5.209，4.728。由此確定5段管道安全狀態(tài)等級均為一般以上，管理優(yōu)先級順序為3#、5#、2#、4#和1#。建議該企業(yè)加強3#管道和5#管道的安全管控。

4 結(jié)論

基于管道無損檢測技術(shù)建立的非開挖檢測與開挖驗證相結(jié)合的地下管道綜合檢測技術(shù)方案，為石化企業(yè)獲知地下管道防腐系統(tǒng)及管體完整性狀態(tài)提供了有效手段和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

基于模糊數(shù)學(xué)理論建立的管道安全狀態(tài)綜合評估方法，充分考慮專家管理經(jīng)驗，有效處理模糊類信息，實現(xiàn)管道安全狀態(tài)分級和管理優(yōu)先級排序，有利于企業(yè)將有限的資源用于重點區(qū)域的管理，提高綜合管理效率。

隨著管道檢測技術(shù)進一步發(fā)展和進步，石化企業(yè)地下管道檢測方式將更加多元化。如何經(jīng)濟高效地利用檢測技術(shù)實現(xiàn)地下管道精準(zhǔn)數(shù)字化，并實現(xiàn)各類檢測數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，從而為石化企業(yè)地下管道全面規(guī)范化、智能化管理提供技術(shù)支撐，是未來需要研究的一個重要方向。